DE102007010535B3

DE102007010535B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102007010535B3
Application number: DE102007010535A
Authority: DE
Inventors: Tobias Bernat
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-03-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters (1). Um den Zustand in einfacher Weise zuverlässig und genau feststellen zu können, weist das Verfahren die Schritte Initiieren eines elektromagnetischen Impulses in dem Partikelfilter (1) mittels einer Initiierungseinrichtung (3), Messen einer zwischen zwei an den Partikelfilter (1) angesetzten Elektroden (5, 6) durch den elektromagnetischen Impuls erzeugten elektrischen Spannung mittels einer mindestens die zwei Elektroden (5, 6) umfassenden Messeinrichtung, und Auswerten der gemessenen elektrischen Spannung mittels einer Auswerteeinrichtung, wobei der Zustand des Partikelfilters (1) festgestellt wird, auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters. Bei Filtern für feinste Partikel, beispielsweise Rußpartikelfiltern für den Abgasstrom einer Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, besteht das Problem, dass sich der Filter während des Betriebs mit der Zeit mit den gefilterten Partikeln zunehmend belädt. Die Folge ist, dass das zu filternde Medium, beispielsweise das Abgas, nicht mehr ungehindert durch den Filter strömen kann. Daher muss der Filter von Zeit zu Zeit von den Partikeln befreit werden. Dies kann beispielsweise durch einen Abbrand der Partikel erfolgen. Der Zeitpunkt, zu dem eine Reinigung oder auch eine sonstige Wartung des Partikelfilters erforderlich ist, variiert abhängig von den Betriebsbedingungen des Systems. Um den richtigen Zeitpunkt für die Regeneration oder Wartung zu bestimmen, ist es wünschenswert, den Zustand des Filters, beispielsweise seine Beladung mit gefilterten Partikeln, festzustellen.
Eine bekannte Methode zur Feststellung des Beladungszustands eines Partikelfilters basiert auf der Tatsache, dass mit zunehmender Beladung des Filters mit Partikeln eine Druckdifferenz zwischen dem Filtereingang und dem Filterausgang entsteht. Diese Druckdifferenz kann in eine Aussage über die Beladung des Filters umgesetzt werden. Ein solches bekanntes System ist schematisch in 1 dargestellt. Mit (A) ist in 1 der Zustrom bereits vorgereinigter, aber noch mit Rußpartikeln beladener Abgase in einen Dieselpartikelfilter bezeichnet. Der Abgasstrom trifft in dem Filter auf mit (B) bezeichnete Filterlamellen. Die Filterlamellen halten die aus dem Abgasstrom herauszufilternden Rußpartikel zurück, wie in 1 in der Schnittvergrößerung (C) dargestellt. Nach Durchlaufen der Filterlamellen gelangt der gereinigte Abgas strom aus dem Filter heraus, in 1 mit (D) bezeichnet. Um den Beladungszustand des Filters festzustellen, sind bei dem bekannten System Drucksensoren (E) vorgesehen, die eine Druckdifferenz zwischen dem Filtereingang und dem Filterausgang messen. Wird mittels der Drucksensoren ein bestimmter, kritischer Beladungszustand des Filters festgestellt, wird eine Regenerationsphase des Filters eingeleitet, in der der Filter durch einen Abbrand der Partikel gereinigt wird.
Nachteilig bei dem bekannten System ist, dass die gemessene Druckdifferenz von diversen äußeren Parametern, wie beispielsweise der Temperatur, abhängt. Um dies zu berücksichtigen, muss ein separater Temperatursensor, in 1 mit (F) bezeichnet, vorgesehen werden. Dies macht die bekannte Vorrichtung aufwendig. Außerdem nehmen neben der Temperatur noch andere Parameter, wie beispielsweise Druck, Feuchte, etc. einen störenden Einfluss auf die Messung. Insbesondere reagiert die bekannte Beladungsmessung empfindlich auf Lastwechsel der Brennkraftmaschine und damit verbundene Änderungen des Abgasmassenstroms. Daher ist mit der bekannten Vorrichtung die Feststellung des Beladungszustands eines Partikelfilters nicht immer zuverlässig möglich.
Aus der EP 1 564 387 A1 ist es weiterhin bekannt, zum Feststellen der Beladung eines Partikelfilters mittels eines Elektrodenpaars eine elektrische Größe zu erfassen, die mit der Dielektrizitätszahl der in einem zwischen den Elektroden angeordneten Volumenteilbereich vorhandenen Materie korreliert. Insbesondere kann dabei als elektrische Größe die elektrische Kapazität erfasst werden. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, dass die gemessenen elektrischen Größen, beispielsweise die gemessenen Kapazitäten, sehr klein sind, so dass eine aufwändige Messanordnung erforderlich ist, um anhand dieser Messung auf die Beladung des Partikelfilters zu schließen. Hinzukommt, dass die Messung der elektrischen Größe, beispielsweise die Kapazitätsmessung, aufgrund der erforderlichen Frequenzanregung kompliziert ist. Auch ist die Messung aufgrund des kleinen Messsignals anfällig gegen Störeinflüsse, beispielsweise durch ein Auftreten bzw. eine Änderung von Luftströmungen in dem Filter.
In der nachveröffentlichten US 2007/0 144 260 A1 wird die zerstörungsfreie Überprüfung eines Partikelfilters beschrieben. Bei der Überprüfung wird der Partikelfilter auf Fertigungsfehler (beispielsweise Filterbruch) untersucht. Hierzu wird an der einen Seite des Partikelfilters ein Ultraschall-Puls generiert und an der anderen Seite des Partikelfilters das Echo des Pulses empfangen. Aus dem Echo des Ultraschallsignals wird auf den Zustand des Partikelfilters geschlossen. Aus dieser Veröffentlichung geht somit hervor, ein gepulstes Signal zu verwenden, um den Zustand des Partikelfilters festzustellen.
In der US 5 157 340 A werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Rußbeladung eines Partikelfilters beschrieben. Die Rußbeladung wird bestimmt, indem die dielektrischen Eigenschaften des Partikelfilters anhand eines Mikrowellen-Signals erfasst werden. Hierzu ist an einem Ende des Partikelfilters eine Sendeantenne angebracht und am anderen Ende des Partikelfilters eine Empfängerantenne. Aus dem Vergleich der beiden Signale wird auf die Beladung des Partikelfilters geschlossen, wobei das gesendete Signal als elektromagnetische Schwingung mit vorgegebener Frequenz aufgebracht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen der Zustand eines Partikelfilters in besonders einfacher und zuverlässiger Weise festgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung und den Figuren.
Zur Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems wird ein Verfahren zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters vorgeschlagen, umfassend die Schritte: Initiieren eines elektromagnetischen Impulses in dem Partikelfilter mittels einer Initiierungseinrichtung, Messen einer zwischen zwei an den Partikelfilter angesetzten Elektroden durch den elektromagnetischen Impuls erzeugten elektrischen Spannung mittels einer mindestens die zwei Elektroden umfassenden Messeinrichtung und Auswerten der gemessenen elektrischen Spannung mittels einer Auswerteeinrichtung, wobei der Zustand des Partikelfilters festgestellt wird.
In Bezug auf die Vorrichtung wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem durch eine Vorrichtung zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters gelöst, umfassend eine Initiierungseinrichtung, mit der ein elektromagnetischer Impuls in dem Partikelfilter initiierbar ist, eine Messeinrichtung umfassend mindestens zwei an den Partikelfilter angesetzte Elektroden, zwischen denen eine durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte elektrische Spannung messbar ist, und eine Auswerteeinrichtung, mit der die gemessene elektrische Span nung auswertbar ist, wobei der Zustand des Partikelfilters feststellbar ist.
Erfindungsgemäß ist eine Initiierungseinrichtung vorgesehen, mit der ein elektromagnetischer Impuls, beispielsweise mittels einer Funkenstrecke, in dem Partikelfilter erzeugt wird. Der erzeugte Impuls durchläuft dabei den Filter. Durch das elektromagnetische Feld des den Filter durchlaufenden elektromagnetischen Impulses wird zwischen den beiden an den Filter angesetzten Elektroden der Messeinrichtung eine elektrische Spannung erzeugt. Diese elektrische Impulsspannung wird von der Messeinrichtung gemessen.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die zwischen den Elektroden durch den Impuls erzeugte elektrische Spannung von dem Zustand des Partikelfilters abhängt. So kommt es beispielsweise mit zunehmender Beladung des Filters mit Rußpartikeln zu einer Veränderung der durch den Impuls erzeugten Spannung. Die Auswerteeinrichtung stellt den Zustand des Partikelfilters also auf Grundlage der Tatsache fest, dass die durch den elektromagnetischen Impuls zwischen den Messelektroden erzeugte elektrische Spannung von dem jeweiligen Zustand des Partikelfilters abhängt.
Erfindungsgemäß wird in einfacher Weise eine Spannungsmessung durchgeführt. Eine aufwändige Kapazitätsmessung, insbesondere mittels einer Frequenzanregung, ist dabei nicht erforderlich. Der elektromagnetische Impuls stellt dabei eine ausreichend große Energie für ein großes und robustes Messsignal zur Verfügung. Durch geeignete Wahl des erzeugten Impulses kann die Größe des zugehörigen Messsignals entsprechend den jeweiligen Anforderungen gesteuert werden. Durch die Messung der durch den elektromagnetischen Impuls erzeugten Spannung steht somit ein im Vergleich zum Stand der Technik großes und robustes Messsignal zur Verfügung. Es kann daher in einfacher Weise eine zuverlässige Messung durchgeführt werden. Dabei ist die Bestimmung des Filterzustands unabhängig von äußeren Parame tern, wie beispielsweise einer Änderung der durch den Filter strömenden Masse, zum Beispiel einer Änderung des Abgasmassenstroms bei Lastwechseln einer Brennkraftmaschine. Auch andere äußere Parameter wie Temperatur, Feuchte, etc. wirken sich weniger auf das Messergebnis aus als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
Gleichzeitig zeichnet sich die Erfindung durch einen einfachen und robusten elektrischen Aufbau aus, der auch unter rauen Betriebsbedingungen zuverlässig arbeitet. Auch die Auswertung des Messergebnisses kann in einfacher Weise erfolgen. Erfindungsgemäß kann der Zustand des Partikelfilters somit in einfacher Weise mit größerer Zuverlässigkeit und Genauigkeit als beim Stand der Technik festgestellt und bewertet werden.
Sofern bei der Bestimmung des Zustands ein für die Funktion des Filters kritischer Zustand, beispielsweise eine maximal zulässige Beladung mit gefilterten Partikeln, festgestellt wird, kann eine Regeneration des Filters durch eine Regenerationseinrichtung eingeleitet werden, wobei der Filter beispielsweise von der Beladung mit gefilterten Partikeln gereinigt wird. Dazu können die in dem Filter angesammelten Partikel abgebrannt werden. Die Bestimmung des Filterzustands kann zyklisch wiederholt in bestimmten Abständen erfolgen. Das System bleibt so über seine gesamte Betriebsdauer, beispielsweise der Lebensdauer eines mit dem Filter ausgestatteten Kraftfahrzeugs, wartungsfrei.
Bei dem Partikelfilter kann es sich insbesondere um einen Partikelfilter zur Gasfiltration, beispielsweise Abgasfiltration für ein Kraftfahrzeug, handeln. Dabei kann der Filter zum Filtern hochfeiner Partikel vorgesehen sein. Beispiele für einen solchen Partikelfilter sind Rußpartikelfilter, zum Beispiel für Dieselbrennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Der Filter kann aus einem Keramikwerkstoff hergestellt sein. In dieser Hinsicht bewährt hat sich in der Praxis der Keramikwerkstoff Korderit.
Vorzugsweise dient das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen des Beladungszustands des Partikelfilters, also seines Beladungsgrads mit gefilterten Partikeln. Es ist jedoch auch denkbar, mit der erfindungemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren alternativ oder zusätzlich zu dem Beladungszustand einen anderen Zustand des Filters festzustellen, beispielsweise einen Materialdefekt. Auch das Auftreten eines solchen Materialdefekts, wie beispielsweise eines Bruchs, führt zu einer Veränderung der durch den elektromagnetischen Impuls zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Spannung. Anhand der durch den Impuls erzeugten Spannung kann also auch auf einen Defekt des Partikelfilters geschlossen werden.
Die Elektroden der Messeinrichtung können beispielsweise direkt an das Filtermaterial angesetzt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Elektroden beispielsweise an ein das Filtermaterial einschließendes Gehäuse angesetzt werden, oder dass ein anderes Zwischenelement zwischen den Elektroden und dem Partikelfilter vorgesehen ist. Entscheidend ist dabei nur, dass durch den in dem Filter erzeugten elektromagnetischen Impuls eine für eine zuverlässige Messung ausreichende Spannung zwischen den Elektroden erzeugt wird.
Es ist denkbar, dass die Auswerte- und die Messeinrichtung separate Einrichtungen sind. Sie können aber auch als eine gemeinsame Mess- und Auswerteeinrichtung ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Initiierungseinrichtung mindestens zwei Elektroden aufweisen, mit denen der elektromagnetische Impuls initiierbar ist. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird der elektromagnetische Impuls also durch mindestens zwei Elektroden initiiert. Dabei wird mittels der beiden Elektroden eine Spannung an den Filter angelegt, so dass es entlang einer Funkenstrecke zu einer Entladung zwischen den Elektroden und somit dem Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses in dem Partikel filter kommt. Dazu können die Elektroden zweckmäßigerweise an den Partikelfilter angesetzt sein. Wiederum ist es denkbar, dass die Elektroden direkt an den Partikelfilter angesetzt sind oder, dass zwischen ihnen und dem Partikelfilter ein Zwischenelement, beispielsweise ein Gehäuse vorgesehen ist. Entscheidend ist nur, dass es zwischen den Elektroden zu einer ausreichenden Entladung und somit einem elektromagnetischen Impuls in dem Filter kommen kann. Mit dieser Ausgestaltung ist die Initiierung eines elektromagnetischen Impulses in besonders einfacher und präziser Weise möglich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Initiierungseinrichtung mindestens ein Blitzgerät aufweisen, mit dem der elektromagnetische Impuls initiierbar ist. In diesem Fall wird der Impuls also durch ein Blitzgerät initiiert. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass bereits ein von einem Fotoblitzgerät in dem Filter erzeugtes elektromagnetisches Feld für den erfindungsgemäßen Zweck ausreichend ist. Mit dieser Ausgestaltung kann ohne weiteren Schaltungsaufwand in besonders einfacher Weise der elektromagnetische Impuls erzeugt werden.
Der Partikelfilter kann insbesondere eine zylindrische Form aufweisen. Dabei kann die Initiierungseinrichtung derart angeordnet sein, dass der elektromagnetische Impuls in Richtung der Zylinderachse initiierbar ist. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird der elektromagnetische Impuls in Richtung der Zylinderachse initiiert. Gemäß dieser Ausgestaltung durchläuft der elektromagnetische Impuls den Partikelfilter in Richtung der Zylinderachse. Er kann dabei insbesondere auf der Zylinderachse selbst oder parallel zu dieser initiiert werden. Bei zylinderförmigen Partikelfiltern erfolgt der Durchfluss des zu filternden Mediums, beispielsweise eines Abgases, üblicherweise in Richtung der Zylinderachse. Es ist sowohl denkbar, den elektromagnetischen Impuls in Strömungsrichtung des zu filternden Mediums durch den Partikelfilter zu erzeugen, als auch in der Strömungsrichtung entgegenge setzter Richtung. Sofern der elektromagnetische Impuls mittels zweier Elektroden der Initiierungseinrichtung initiiert wird, können die beiden Elektroden also insbesondere im Bereich des Filtereingangs und des Filterausgangs angeordnet sein. In diesem Fall verläuft die Funkenstrecke zur Entladung zwischen den Elektroden durch den Partikelfilter in Richtung seiner Zylinderachse. Dabei kann die Entladung in beiden Richtungen zwischen den Elektroden erfolgen. Sofern der elektromagnetische Impuls mittels eines Blitzgeräts erzeugt wird, kann dieses also wahlweise auf der Filtereingangs- oder auf der Filterausgangsseite im Bereich einer der Stirnseiten des Zylinders derart angeordnet sein, dass der Blitz und somit der elektromagnetische Impuls jeweils in Richtung des Partikelfilters ausgelöst wird.
Wenn der Partikelfilter eine zylindrische Form aufweist, können die Elektroden der Messeinrichtung insbesondere an die Mantelfläche des Zylinders angesetzt sein. Der Vorteil dieser Anordnung der Messelektroden, insbesondere in Verbindung mit einer Initiierung des elektromagnetischen Impulses in Richtung der Zylinderachse liegt darin, dass unter minimaler Beeinträchtigung des Strömungsweges des zu filternden Mediums durch den Filter ein besonders einfach zu realisierender und im Betrieb robuster Aufbau erreicht wird. Die Messelektroden können dabei insbesondere einander gegenüberliegend auf der Mantelfläche angeordnet sein. Es ist zum Beispiel denkbar, die Elektroden in Achsrichtung des Zylinders in etwa mittig auf der Mantelfläche anzubringen. Es sind aber auch andere Positionen denkbar.
Selbstverständlich sind auch andere Formen des Partikelfilters denkbar, beispielsweise eine Quaderform. Bei derartigen Filtern strömt das zu filternde Medium insbesondere in Richtung der Quaderlängsachse durch den Filter. Die Initiierungseinrichtung kann dabei wiederum derart angeordnet sein, dass der elektromagnetische Impuls in Richtung der Quaderlängsachse initiiert werden kann. Der Impuls kann durch eine geeigne te Anordnung der Initiierungseinrichtung wie bei einem zylindrischen Filter in Strömungsrichtung des zu filternden Mediums aber auch dieser entgegengesetzt erzeugt werden. Die Messelektroden können wiederum an die Außenflächen des Quaders angesetzt sein, insbesondere einander gegenüberliegend. Auf diese Weise wird ein einfacher Aufbau der Messanordnung erreicht.
Man kann sich die Vorrichtung angenähert wie einen Kondensator vorstellen, wobei die Messelektroden als Kondensatorplatten eines Plattenkondensators und der dazwischen liegende Partikelfilter als Dielektrikum wirken. Durch den zwischen den Messelektroden angeregten elektromagnetischen Impuls, insbesondere sein elektromagnetisches Feld, wird eine Spannung zwischen den Elektroden erzeugt. Mit einer Veränderung des Zustands des Partikelfilters, beispielsweise einer Beladung mit leitfähigen Rußpartikeln, verändert sich die durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte elektrische Spannung. Aus diesem Zusammenhang kann auf den Zustand des Filters geschlossen werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung kann die Messeinrichtung mindestens zwei weitere an den Partikelfilter angesetzte Elektroden aufweisen, zwischen denen ebenfalls eine durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte Spannung messbar ist bzw. gemessen wird. Gemäß dieser Ausgestaltung wird also zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Elektrodenpaaren eine durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte elektrische Spannung gemessen. Durch eine geeignete Anordnung der Messelektrodenpaare ist es somit möglich, eine räumlich aufgelöste Aussage über den Zustand des Filters zu treffen. Dabei kann insbesondere eine Mehrzahl von Elektrodenpaaren vorgesehen sein. So ist es denkbar, mehrere Elektrodenpaare auf der Mantelfläche eines beispielsweise zylinderförmigen Partikelfilters in Richtung der Zylinderachse versetzt anzuordnen. Auf diese Weise kann die Beladung des Partikelfilters mit Rußpartikeln in verschiedenen Bereichen entlang der Zy linderachse festgestellt werden. Auch ist es möglich, verschiedene Elektrodenpaare zur Messung der elektrischen Spannung radial verteilt über den Zylinderumfang vorzusehen. Durch eine geeignete Anordnung der Elektrodenpaare ist es möglich, ein dreidimensionales Zustandsbild, insbesondere Beladungsbild, des Filters zu erstellen.
In besonders einfacher Weise kann auf den Zustand des Partikelfilters geschlossen werden, wenn mittels der Messeinrichtung die Amplitude der durch den Impuls erzeugten elektrischen Spannung messbar ist bzw. gemessen wird. Die Messeinrichtung kann dazu insbesondere eine Einrichtung zum Messen der Spannungsamplitude aufweisen. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass sich abhängig vom Zustand des Filters, insbesondere seiner Beladung, eine Auswirkung in besonders deutlicher Weise hinsichtlich der Amplitude der erzeugten elektrischen Spannung einstellt. Insbesondere kommt es mit zunehmender Beladung des Filters mit Rußpartikeln zu einem Anstieg der Amplitude der erzeugten Spannung, aus dem auf den jeweiligen Filterzustand geschlossen werden kann. Soweit es zu einer Oszillation der durch den Impuls erzeugten Spannung kommt, kann die Amplitude der Oszillation gemessen werden. Als Messgröße kann insbesondere die so genannte „Voltage Peak-to-Peak V_PP", also der Abstand zwischen zwei maximalen Spannungsamplituden einer Oszillation ausgewertet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es insbesondere denkbar, dass mittels der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung eine zeitaufgelöste Messung und Auswertung der erzeugten elektrischen Spannung erfolgt. Auf diese Weise kann noch genauer auf den Zustand des Partikelfilters geschlossen werden.
Um die Abhängigkeit des Zusammenhangs zwischen elektromagnetischen Impuls und dadurch erzeugter elektrischer Spannung von dem Zustand des Partikelfilters auszuwerten, sind verschiedene Vorgehensweisen möglich.
So ist es beispielsweise denkbar, dass die Auswerteeinrichtung eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und dem von der Initiierungseinrichtung initiierten elektromagnetischen Impuls aufweist. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels der Auswerteeinrichtung ein Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und dem von der Initiierungseinrichtung initiierten elektromagnetischen Impuls durchgeführt. Bei dieser Vorgehensweise findet also ein Vergleich statt zwischen dem elektromagnetischen Impuls und der dadurch erzeugten elektrischen Spannung. Für diesen Vergleich kann eine den elektromagnetischen Impuls charakterisierende Größe mit einer die durch den Impuls erzeugte elektrische Spannung charakterisierenden Größe verglichen werden. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist abhängig von dem Zustand des Filters, beispielsweise seiner Beladung mit gefilterten Partikeln. Aus dem Vergleichsergebnis kann somit auf den Partikelzustand geschlossen werden. Es ist dabei beispielsweise denkbar, dass im Rahmen eines Kalibrierverfahrens eine den Zusammenhang zwischen dem Vergleichsergebnis und dem Partikelfilterzustand beschreibende Kennlinie erstellt wird, anhand der die Auswerteeinrichtung eine Aussage über den Filterzustand trifft.
Als den elektromagnetischen Impuls charakterisierende Größe kann beispielsweise eine für eine Entladung zwischen zwei den Impuls erzeugenden Elektroden angelegte elektrische Spannung dienen. Auch ist es denkbar, dass eine das zur Erzeugung des Impulses eingesetzte Blitzgerät charakterisierende Größe wie beispielsweise seine Ladespannung, Lichtleistung, Energie etc. betrachtet wird. Als charakterisierende Größe kann beispielsweise auch das elektromagnetische Feld des Impulses selbst, also die elektrische und/oder magnetische Feldstärke, oder die Impulsenergie dienen. Als charakteristische Größe für die durch den Impuls erzeugte elektrische Spannung kann beispielsweise die Amplitude der Spannung oder eine andere Größe dienen. Natürlich sind weitere charakterisierende Größen denkbar, wie sie dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind.
Eine alternative oder auch in Kombination mit der oben beschriebenen Vorgehensweise mögliche Vorgehensweise besteht darin, dass mittels der Auswerteeinrichtung ein Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und mindestens einem Referenzwert durchgeführt wird. Zu diesem Zweck weist die Auswerteeinrichtung eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und mindestens einem Referenzwert auf. In diesem Fall kann also wiederum eine die erzeugte elektrische Spannung charakterisierende Größe mit vorher im Rahmen eines Kalibrierverfahrens erstellten Referenzwerten verglichen werden. So ist es möglich, im Rahmen des Kalibrierverfahrens eine Kennlinie zu erstellen, die möglichen charakteristischen Größen der erzeugten elektrischen Spannung jeweils einen bestimmten Filterzustand, beispielsweise Beladungszustand, zuordnet. Indem anhand der tatsächlich ermittelten charakteristischen Größe eine Zuordnung innerhalb der Kennlinie erfolgt, kann mittels der Auswerteeinrichtung auf den Zustand des Partikelfilters geschlossen werden. Bei dieser Vorgehensweise wird vorzugsweise zu jeder Messung der gleiche elektromagnetische Impuls angeregt.
Selbstverständlich sind noch weitere Vorgehensweisen denkbar zur Auswertung der gemessenen elektrischen Spannung, um den Filterzustand festzustellen. Derartige Vorgehensweisen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, so dass sie an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.
Mit der Erfindung und ihren Ausgestaltungen kann somit in zuverlässiger, genauer und einfacher Weise der Zustand eines Partikelfilters festgestellt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Vorrichtung zum Feststellen der Beladung eines Partikelfilters gemäß dem Stand der Technik in einer Schnittansicht,
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters in einer halbtransparenten Darstellung in einer perspektivischen Seitenansicht,
3 die in 2 dargestellte Vorrichtung in einer Draufsicht,
4 die in den 2 und 3 dargestellte Vorrichtung in einer perspektivischen Seitenansicht im Betrieb,
5 die in den 2, 3 und 4 dargestellte Vorrichtung in einer halbtransparenten Darstellung in einer perspektivischen Seitenansicht im Betrieb,
6a–6c Diagramme mit erfindungsgemäß gemessenen elektrischen Spannungen,
7 eine in der Praxis eingesetzte erfindungsgemäße Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht von oben,
8 die in 7 dargestellte Vorrichtung in einer perspektivischen Seitenansicht,
9 eine Anordnung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses in der in den 7, 8 dargestellten Vorrichtung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände. In den Figuren ist schematisch ein Partikelfilter 1 dargestellt. Der Partikelfilter 1 weist eine im Wesentli chen zylinderförmige Gestalt auf. Selbstverständlich sind auch andere Formen möglich, beispielsweise eine Quaderform. Das Filtermaterial ist vorliegend lamellenförmig und aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, insbesondere aus Korderit. In den 2 und 5 ist zur Veranschaulichung des Aufbaus der Vorrichtung eine Hälfte des Zylinderkörpers transparent dargestellt. Der Partikelfilter 1 dient zum Filtern von Rußpartikeln im Abgasstrom einer Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Der Pfeil 2 stellt dabei die Strömungsrichtung des vom Motor kommenden und zum Auspuff des Kraftfahrzeugs geleiteten Abgases durch den Partikelfilter 1 dar.
Die Vorrichtung umfasst eine Initiierungseinrichtung 3, im vorliegend dargestellten Beispiel ein konventionelles Fotoblitzgerät 3. Dabei ist das Blitzgerät 3 an der den Filterauslass bildenden Stirnseite 4 des zylinderförmigen Partikelfilters 1 angeordnet. Das Blitzgerät 3 ist dabei derart angeordnet, dass der durch das Blitzgerät 3 erzeugbare Blitz in Richtung der Zylinderachse des Filters 1 in diesen hinein ausgelöst werden kann. Selbstverständlich kann das Blitzgerät 3 auch auf der den Filtereinlass bildenden, der Stirnseite 4 gegenüber liegenden Stirnseite des Filters angeordnet werden. Alternativ zu einem Blitzgerät 3 kann als Initiierungseinrichtung 3 natürlich auch ein Elektrodenpaar verwendet werden, das beispielsweise an den gegenüberliegenden Stirnseiten des zylinderförmigen Partikelfilters 1 angeordnet ist, so dass durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden eine Entladung in Richtung der Zylinderachse durch den Partikelfilter 1 erfolgt und auf diese Weise ein elektromagnetischer Impuls in dem Partikelfilter 1 erzeugt werden kann.
Die Vorrichtung weist weiterhin zwei an die Zylindermantelfläche des Partikelfilters 1 angesetzte Elektroden 5, 6 auf. Die Elektroden 5, 6 sind dabei in Richtung der Zylinderachse mittig und einander gegenüberliegend direkt an den Partikelfilter 1 angesetzt. Die Elektroden 5, 6 sind Teil einer als gemeinsame Einrichtung ausgebildeten Mess- und Auswerteeinrichtung. Die gemeinsame Mess- und Auswerteeinrichtung weist ein Mess- und Auswerteelement 7 auf, mit dem die Elektroden 5, 6 durch eine elektrische Verbindung 8 verbunden sind. Die Mess- und Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen nicht näher dargestellten Mikroprozessor aufweisen. Selbstverständlich ist es auch denkbar, anstelle einer gemeinsamen Mess- und Auswerteeinrichtung getrennte Mess- und Auswerteeinrichtungen vorzusehen.
Zusätzlich zu dem Elektrodenpaar 5, 6 können weitere Elektrodenpaare auf der Zylindermantelfläche vorgesehen sein. Derartige weitere Elektroden sind in den 7 bis 9 schematisch teilweise dargestellt und mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Durch eine geeignete axial und radial verteilte Anordnung der Elektroden 5, 6, 9 auf der Zylindermantelfläche ist es möglich, eine räumlich aufgelöste Aussage über den Filterzustand zu treffen. Die Elektroden 5, 6, 9 können beispielsweise aus einem Kupferwerkstoff bestehen.
In den 4 und 5 ist der Partikelfilter 1 im Betrieb dargestellt. In Abgasströmungsrichtung 2 trifft auf den Filtereingang ein mit einer Vielzahl von Rußpartikeln 10 beladener Abgasstrom. Im Zuge des Durchströmens des Partikelfilters 1 in Richtung seiner Zylinderachse wird ein Großteil der Rußpartikel 10 von dem lamellenförmigen Filtermaterial zurückgehalten, so dass der aus dem Partikelfilter 1 austretende Abgasstrom nur noch eine geringe Anzahl von Rußpartikeln 10 aufweist. Der Abgasstrom wird durch den Partikelfilter 1 somit weitgehend von Rußpartikeln 10 gereinigt. Dabei führen die von dem Filter 1 zurückgehaltenen Rußpartikel 10 zu einer abhängig von den Betriebsparametern mit der Betriebsdauer zunehmenden Beladung des Partikelfilters 1.
Um den Zustand, insbesondere den Beladungszustand des Partikelfilters 1 festzustellen, wird mittels der Initiierungseinrichtung 3 ein elektromagnetischer Impuls in dem Partikelfil ter 1 initiiert. Dazu wird das Blitzgerät 3 im vorliegenden Beispiel so ausgelöst, dass ein Blitz den Filter 1 in Richtung seiner Zylinderachse durchläuft. Der Blitz bewirkt einen elektromagnetischen Impuls, also ein elektromagnetisches Feld in dem Partikelfilter 1. Dadurch wird zwischen den Elektroden 5, 6 eine entsprechende elektrische Spannung erzeugt. Diese elektrische Spannung wird mittels des Mess- und Auswerteelements 7 aufgenommen. Im dargestellten Beispiel erfolgt eine zeitaufgelöste Messung der Spannung.
Das Ergebnis einer derartigen, unter Laborbedingungen durchgeführten Messung ist für ein Ausführungsbeispiel in den Diagrammen 6a bis 6c für verschiedene Messparameter dargestellt. Auf der Abszisse der Diagramme ist dabei jeweils die Zeit aufgetragen, wobei jedes Quadrat des Diagramms in dem dargestellten Beispiel einer Zeit von 2,5 μs entspricht. Auf der Ordinate der Diagramme ist die jeweils gemessene elektrische Spannung aufgetragen, wobei jedes Quadrat des Diagramms einer Spannung von etwa 5 V entspricht.
In dem in den 6a bis 6c dargestellten Beispiel wurde ein Fotoblitzgerät mit einer Ladespannung von 300 V verwendet. Damit wurde ein Blitz mit einer Energie von ca. 7 J erzeugt. Der Blitz wurde mit Hilfe der Testtaste ca. 1,5 cm über der Filtereingangs- bzw. Filterausgangsseite ausgelöst.
In 6a ist dabei die über den Elektroden 5, 6 gemessene elektrische Spannung im Fall eines im Wesentlichen unbeladenen Partikelfilters 1 dargestellt. Die gemessene elektrische Spannung veränderte sich dabei im Wesentlichen nicht abhängig davon, ob der Blitz von der Filtereingangs- oder der Filterausgangsseite in den Partikelfilter 1 ausgelöst wird. In 6b ist die gemessene elektrische Spannung im Fall eines mit Rußpartikeln beladenen Filters 1 dargestellt, wobei der Blitz von der Einlassseite des Filters 1, also der berußten Seite, aus in den Partikelfilter 1 ausgelöst wurde. In 6c ist die gemessene elektrische Spannung für den wie in 6b mit Rußpartikeln beladenen Partikelfilter 1 dargestellt, wobei der Blitz in dem in 6c dargestellten Beispiel von der Filterausgangsseite, also der unberußten Seite, in den Partikelfilter 1 hinein ausgelöst wurde. Der in den 6b und 6c untersuchte Partikelfilter 1 war mit ca. 6,98 g/l Ruß beladen.
In allen drei Diagrammen ist zu erkennen, dass durch den in dem Partikelfilter 1 initiierten elektromagnetischen Impuls zwischen den Elektroden 5, 6 eine um eine Ruhespannung oszillierende elektrische Spannung erzeugt wird. Die Oszillation klingt dabei mit der Zeit ab. Deutlich zu erkennen ist der Unterschied in der Amplitude der Oszillation zwischen dem in 6a dargestellten Fall des unbeladenen Partikelfilters 1 und den in den 6b, 6c dargestellten Fällen des beladenen Partikelfilters 1. Insbesondere kommt es mit zunehmender Beladung des Filters 1 mit Rußpartikeln 10 zu einem deutlichen Anstieg der Spannungsamplitude. Dies gilt sowohl für den Fall der Anordnung des Blitzgeräts 3 auf der Filtereingangsseite, als auch für den Fall der Anordnung des Blitzgeräts 3 auf der Filterausgangsseite.
Im vorliegenden Beispiel wird durch die Mess- und Auswerteeinrichtung der Abstand zwischen zwei maximalen Spannungsamplituden einer Oszillation (Voltage Peak-to-Peak V_PP) gemessen und ausgewertet. Im dargestellten Beispiel wurde im Fall des unbeladenen Partikelfilters 1 (6a) ein Wert von ca. 10 V_PP gemessen. Im Fall des beladenen Filters (6b, 6c) wurde dagegen ein Wert von ca. 25 V_PP gemessen. Auf Grundlage dieses Spannungsunterschieds kann die Mess- und Auswerteeinrichtung auf einen Beladungsgrad des Partikelfilters 1 mit Rußpartikeln 10 schließen.
Dazu kann die Mess- und Auswerteeinrichtung zum Beispiel durch eine in diese integrierte, nicht näher dargestellte Vergleichseinrichtung einen Vergleich zwischen der gemessenen Spannung V_PP und mehreren Referenzwerten durchführen. So kann die gemessene Spannung V_PP anhand einer im Rahmen eines vorhergehenden Kalibrierverfahrens erstellten Kennlinie einem bestimmten Beladungsgrad des Filters 1 zugeordnet werden. Mittels des Vergleichs der gemessenen Spannung V_PP mit einer Reihe von Referenzwerten kann somit in einfacher Weise auf den Zustand des Partikelfilters 1 geschlossen werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung mittels einer Vergleichseinrichtung einen Vergleich der gemessenen elektrischen Spannung V_PP mit dem von der Initiierungseinrichtung initiierten elektromagnetischen Impuls, also insbesondere einer den elektromagnetischen Impuls charakterisierenden Größe durchführt und daraus auf den Filterzustand schließt. Dies kann wiederum anhand einer zuvor erstellten Kennlinie erfolgen.
Natürlich können auch andere Zustände des Filters 1, wie beispielsweise Materialdefekte, die sich ebenfalls auf die erzeugte elektrische Spannung auswirken, bewertet werden.
Das vorliegend beschriebene Verfahren zum Feststellen des Zustands des Partikelfilters 1 kann insbesondere in regelmäßigen Abständen wiederholt werden. Sofern dabei ein kritischer Zustand, insbesondere ein für die Funktion des Filters 1 kritischer Beladungsgrad festgestellt wird, kann mittels einer nicht näher dargestellten Regenerationseinrichtung eine Regenerationsphase des Partikelfilters 1 eingeleitet werden. Im Zuge dieser Regenerationsphase können beispielsweise die in dem Partikelfilter 1 angesammelten Rußpartikel 10 abgebrannt werden und der Partikelfilter 1 auf diese Weise gereinigt werden. Anschließend kann der Filter 1 wieder zuverlässig seine Funktion erfüllen. Der Partikelfilter 1 bleibt somit über den gesamten Lebenszyklus des Kraftfahrzeugs wartungsfrei.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit in besonders einfacher Weise möglich, den Zustand des Partikelfilters 1, insbesondere sei nen Beladungsgrad mit Rußpartikeln, zuverlässig und mit hoher Genauigkeit festzustellen.

1: Partikelfilter
2: Strömungsrichtung des zu filternden Abgases
3: Initiierungseinrichtung
4: Stirnfläche des zylinderförmigen Partikelfilters
5, 6: Elektroden der Messeinrichtung
7: Mess- und Auswerteelement
8: Elektrische Verbindung
9: Weitere Elektroden der Messeinrichtung
10: Rußpartikel

Claims

Verfahren zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters (1), umfassend die Schritte a) Initiieren eines elektromagnetischen Impulses in dem Partikelfilter (1) mittels einer Initiierungseinrichtung (3), b) Messen einer zwischen zwei an den Partikelfilter (1) angesetzten Elektroden (5, 6) durch den elektromagnetischen Impuls erzeugten elektrischen Spannung mittels einer mindestens die zwei Elektroden (5, 6) umfassenden Messeinrichtung, und c) Auswerten der gemessenen elektrischen Spannung mittels einer Auswerteeinrichtung, wobei der Zustand des Partikelfilters (1) festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Impuls durch mindestens zwei Elektroden initiiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Impuls durch mindestens ein Blitzgerät (3) initiiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (1) eine zylindrische Form aufweist und der elektromagnetische Impuls in Richtung der Zylinderachse initiiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (1) eine zylindrische Form aufweist und die Elektroden (5, 6) der Messeinrichtung an die Mantelfläche des Zylinders angesetzt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung mindestens zwei weitere an den Partikelfilter (1) angesetzte Elektroden (9) aufweist, zwischen denen ebenfalls eine durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte Spannung gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messeinrichtung die Amplitude der erzeugten elektrischen Spannung gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung ein Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und dem von der Initiierungseinrichtung (3) initiierten elektromagnetischen Impuls durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung ein Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und mindestens einem Referenzwert durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters (1), umfassend a) eine Initiierungseinrichtung (3), mit der ein elektromagnetischer Impuls in dem Partikelfilter (1) initiierbar ist, b) eine Messeinrichtung umfassend mindestens zwei an den Partikelfilter (1) angesetzte Elektroden (5, 6), zwischen denen eine durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte elektrische Spannung messbar ist, und c) eine Auswerteeinrichtung, mit der die gemessene elektrische Spannung auswertbar ist, wobei der Zustand des Partikelfilters (1) feststellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Initiierungseinrichtung (3) mindestens zwei Elektroden aufweist, mit denen der elektromagnetische Impuls initiierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Initiierungseinrichtung (3) mindestens ein Blitzgerät (3) aufweist, mit dem der elektromagnetische Impuls initiierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (1) eine zylindrische Form aufweist und die Initiierungseinrichtung (3) derart angeordnet ist, dass der elektromagnetische Impuls in Richtung der Zylinderachse initiierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (1) eine zylindrische Form aufweist und die Elektroden (5, 6) der Messeinrichtung an die Mantelfläche des Zylinders angesetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung mindestens zwei weitere an den Partikelfilter angesetzte Elektroden (9) aufweist, zwischen denen ebenfalls eine durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte Spannung messbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messeinrichtung die Amplitude der erzeugten elektrischen Spannung messbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und dem von der Initiierungseinrichtung (3) initiierten elektromagnetischen Impuls aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und mindestens einem Referenzwert aufweist.